Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°63 de oct/nov/déc 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : physique et matérieux anciens.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > constitue la « révolution culturelle » des dateurs  : nous devons repenser les choses en termes de grains individuels et de distributions statistiques et non plus en termes de grandeurs macroscopiques moyennes. Ainsi, il faut plusieurs milliers de grains et donc plusieurs milliers d’analyses pour produire une datation et disposer d’un échantillonnage suffisant, qui permette de séparer les données des grains qui ont été bien éclairés de ceux qui le furent insuffisamment lors du processus de transport ou d’éclairement que nous cherchons à dater. Nous appliquons ainsi ce type d’analyse à la datation des mortiers de construction en vue d’établir la date de l’édification de structures architecturales [3, 4]. Les mortiers résultent en effet d’un mélange de sable et de chaux, et c’est le moment où les anciens bâtisseurs ont fabriqué le mortier qui nous intéresse, car il témoigne directement de la construction. Ce que l’on étudie, ce sont les grains de quartz. On montre qu’au cours du processus de mélange chaux/sable, les grains sont exposés à la lumière de façon très hétérogène  : seule la surface du mélange est exposée, et ce n’est que lorsque les grains y parviennent au cours de leur brassage qu’ils sont éclairés durant un bref instant avant de replonger dans les zones sombres. L’exposition se distribue parmi les grains selon une exponentielle décroissante (les places au soleil sont chères !) , et c’est ce que l’on observe au final avec les mesures de dose [5]. 12 Reflets de la Physique n°63 Fréquence 12 8 4 i i a Expérience OSL 0 1 Y. P 1 fl -I 0,0 8,0 16,0 24,0 32,0 Dose (Gy) Aujourd’hui, on construit les outils statistiques pour modéliser les distributions observées (fig. 4) et des programmes prototypes pour traiter les données  : nous sommes encore loin de la routine... Modéliser la distribution de radioactivité à l’échelle microdosimétrique L’évaluation des débits de dose induits par les différentes particules émises par la radioactivité naturelle reste, aujourd’hui encore, problématique à l’échelle des grains. Même si une mesure directe de l’effet des photons gamma interagissant dans la matière peut être facilement réalisée en déterminant la dose qu’ils y déposent à l’aide de dosimètres d’irradiation ou de sondes gamma, il en va tout autrement pour les particules alpha et bêta en raison de leurs faibles parcours (quelques dizaines de micromètres pour les alphas, et moins de 3 mm pour les bêtas). Aussi, une stratégie fondée sur l’utilisation de la modélisation et de la simulation numérique a-t-elle été développée. Pour cela, il est nécessaire d’accéder à la caractérisation précise du sédiment  : il faut ainsi identifier les espèces minérales présentes, leurs dimensions, leur répartition spatiale, leur composition élémentaire et leur radioactivité. La figure 5 montre l’image d’un bloc de sédiments d’environ 30 mm d’épaisseur Échantillon de mortier BDX 15544 Simulation Monte-Carlo 4. Datation de l’amphithéâtre Palais-Gallien, à Bordeaux (fin du 1er ou 2 e siècle apr. J.-C.). À gauche  : photo de l’amphithéâtre (cliché P.Guibert, IRAMAT-CRP2A). À droite  : histogramme des doses archéologiques individuelles de grains de quartz issus des mortiers de fondation (en gris foncé) et comparaison avec la simulation Monte-Carlo la plus approchante (en gris clair). Il s’agit d’un ensemble de grains ayant été assez faiblement exposés à la lumière durant la fabrication du mortier (moins de 10 secondes à la lumière solaire en moyenne). On distingue le groupe des grains les mieux exposés qui présentent des doses inférieures à 8 Gy, tandis que de nombreux autres grains montrent une forte dose résiduelle d’origine géologique (radioactivité naturelle). dont on distingue 14 couches selon la texture, la distribution granulométrique des grains minéraux et leur répartition. À l’aide du logiciel DOSI-VOX [6] développé dans notre laboratoire, ce bloc a été modélisé (partie centrale de la figure 5)  : les grains constituant les sédiments sont représentés par de petites sphères en assurant un niveau de compacité équivalent à celui observé sur les images. Les éléments majeurs, tout comme les radioéléments, ont été affectés à ces sphères en respectant leurs concentrations moyennes, de manière à modéliser les différentes phases minérales présentes dans chacune des couches (grains de quartz, de feldspaths, calcite, argiles). Après cette étape de modélisation, une simulation numérique de type Monte- Carlo a été lancée  : les particules primaires ont été générées en fonction de la concentration de chaque radioélément (U, Th et K) et des taux de désintégration caractérisant chaque famille radioactive. La partie droite de la figure montre ainsi le trajet des particules émises dans le modèle (traits rouges et verts), et les points d’interaction des particules primaires et secondaires avec la matière (points jaunes), points où la dose est réellement déposée. En simulant des millions de particules primaires, il est ainsi possible d’obtenir une représentation 3D de la distribution de la dose pour les deux types de particules, alpha et bêta, dont la dosimétrie directe est toujours difficile.
Conclusion Nous avons présenté dans ces pages quelques aspects de la recherche méthodologique sous-jacente à la datation par luminescence. Il s’agit d’une recherche sur le long terme qui suppose une accumulation progressive de faits, rarement médiatisés sauf à l’occasion de la découverte d’un nouveau fossile humain ou de la datation de sites célèbres. Cette recherche est interdisciplinaire. Elle suppose des connaissances en physique, en chimie des matériaux, mais aussi en géochimie, en dosimétrie des irradiations, en modélisation numérique, en archéologie ou en environnement selon les applicationscibles. Les champs à défricher restent immenses, les besoins augmentent, alors que le nombre de spécialistes stagne à un niveau plutôt réduit (moins de 1000 sur la planète, dont une douzaine en France, en comptant doctorants, postdoctorants et ingénieurs contractuels). Parmi les défis sur lesquels les spécialistes de la datation se penchent aujourd’hui, nous pouvons citer l’extension de la méthode vers les grands âges, le million d’années. La saturation des niveaux pièges usuels de l’OSL reste le verrou principal, et on ne remonte guère encore aujourd’hui au-delà de quelques centaines de milliers d’années. La réduction des incertitudes de la datation demeure un défi permanent. Afin d’en améliorer la précision et la justesse (capacité de la méthode à fournir des âges avec des erreurs systématiques les plus faibles possibles), on teste régulièrement la capacité réelle de la méthode par des intercomparaisons de mesures d’âge sur des échantillons dont la chronologie est connue et validée. Les protocoles de mesure, qui tendent à se normaliser, sont basés sur la connaissance des processus de la luminescence dans les minéraux naturels. Cependant, cette connaissance est partielle et incomplète, ce qui justifie entièrement selon nous, des recherches fondamentales permanentes, par exemple sur la durée de vie des états métastables ou sur les mécanismes de transfert de charge et de luminescence, avec un objectif d’application en datation. Ainsi, pour un physicien qui s’intéresse aux processus fondamentaux, la compréhension fine des phénomènes de luminescence dans les minéraux naturels reste un défi permanent pour parvenir à améliorer les performances et l’efficacité de la méthode. Physique des atomes comme source d’information 2 2 3 3 4 5 6 7 7 8 9 10 10 11 11 12 13 14 y 3 mm x 3 mm z 3 mm 5. Modélisation de la distribution de radioactivité naturelle d’un bloc de sédiment. À gauche  : image reconstituée de cartographie élémentaire, obtenue par spectrométrie de rayons X en dispersion d’énergie dans un microscope électronique à balayage (hauteur du bloc  : 30 mm environ). Il s’agit d’un bloc de sédiment induré dans de la résine, dans lequel 14 couches ont été identifiées par observation à la loupe binoculaire, schématisé par le dessin du milieu. La partie droite de la figure montre une simulation Monte-Carlo de l’émission de particules bêta (traits rouges et verts), et les points d’interaction des particules primaires et secondaires avec la matière (points jaunes), points où la dose est réellement déposée et mémorisée, afin d’en déduire la distribution de dose annuelle bêta dans les différentes parties du sédiment. Références 1 M.J. Aitken, An Introduction to Optical Dating. The Dating of Quaternary Sediments by the Use of Photon-Stimulated Luminescence, Oxford University Press (1998). 2 P.Guibert et al., Radiation Measurements, 44 (2009) 223-231. 3C. Sapin et al., Dossiers d’Archéologie, 363 (2014) 38-49. 4 P.Urbanová et P.Guibert, Geochronometria 44 (2017) 77-97. 5 P.Urbanová et P.Guibert, Mélanges de l’École française de Rome, 129-1 (2017). http://journals.openedition.org/mefrm/3633 6 P.Guibert et al., Radiation Measurements, 107 (2017) 48-57. 7L. Martin et al., Ancient TL, 33, 1 (2015) 1-10. Sites web www.aber.ac.uk/en/dges/research/quaternary/luminescence-research-laboratory/ www.iramat-crp2a.cnrs.fr/ http://geochrono.free.fr/fr/tech/thermo/principe/tlprin2.html Reflets de la Physique n°63 13



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